陕北黄土地层地貌特征及工程特性综述

杜少少， 洪勃， 王力， 张航泊， 李喜安， 王帅帅， 刘振山

(1.陕西省地质调查中心，西安 710054； 2.陕西省地质调查院矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室，西安 710054； 3.长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054； 4.陕西碧桂园置业有限公司，西安 710065； 5.河南省煤田地质局物探测量队，郑州 450009)

0 引言

陕北地区地处黄土高原的北部，总体地势西高东低，由西北向东南倾斜。该地区广泛分布第四系黄土、黄土状土及风积沙过渡型黄土，黄土堆积厚度大，结构疏松，水土流失严重，沟壑纵横，地形破碎。独特的区域构造使得该地区的黄土工程特性存在显著的空间变化，在长期的工程实施中，难免遇到黄土工程地质问题。因此，很多学者对陕北黄土工程特性进行了研究。孙广忠等较为笼统地描述了陕北黄土的湿陷性和渗透性等工程特性[1-8]； 刘绍宁等研究了延安新区压实黄土的变形特性[9-12]； 洪勃等[13]研究了延安新区黄土的渗透特性； 马涛等对陕北风积沙-黄土过渡型砂性黄土工程特性进行了试验研究[14-17]； 郑文等[18]对陕北地区黄土的抗拉和抗剪强度特性进行了研究。但是，对黄土工程特性系统研究的缺失，已经给生产建设带来极大的不便，且影响着陕北地区在西部大开发中的进程及“一带一路”战略的实施。因此，更深层次、更系统、更全面、更科学地认识陕北黄土的工程特性，合理地安排生产建设，已成为陕北地区快速发展的迫切需要。

1 研究区概况

按照目前的行政区划，陕北地区涵盖了榆林市和延安市共25个县(区)； 按水文和地貌要素划分，陕北地区还包括铜川市(宜君县大部分地区、印台区北部地区)和渭南市(富平县北部地区)。研究区总面积为8.3×104km2，占陕西省总面积的40%，平均海拔为1 224 m，平均地形坡度为17°，河网密度为0.08 km/km2，城镇密度为5.0×10-3个/km2，人口密度为66.0人/km2。

2 研究方法

黄土地层地貌成因复杂，至今仍没有一套系统、全面而又不失实用性的系统分类，许多地层地貌类型的分类与命名缺乏统一的定义与具体释义，因而造成了大量概念混淆、错用误用的现象。本文在对黄土地层地貌研究的历史和成因进行总结的基础上，结合野外调查资料以及考虑新生代构造运动、岩土性质、外营力和人类活动的影响等，对陕北地区的工程地质条件进行全面、系统地分析总结。

3 陕北地层与地貌特征

3.1 地层

陕北黄土高原地处鄂尔多斯台向斜中段的东翼和东南角，地跨陕甘宁盆地地层分区和陕甘宁盆缘地层分区。区域内有奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、新近系及第四系出露，缺失志留系和泥盆系，其中以陆相中生界地层和第四系黄土最为发育。区内大部分地区被厚层黄土覆盖，只有在南部的一些山地、东北部的府谷与神木一带和区内的一些深切沟谷中，出露着不同时期的地层。奥陶系仅出露中统海相灰岩。石炭系中、上统出露海陆交互相沉积的灰岩、砂页岩并含煤、铁、铝土矿等。二叠系及三叠系下统为湖泊、沼泽相含煤砂泥岩沉积以及河湖相红色碎屑岩。三叠系中、上统—白垩系在区内的一些地段连续出露，以内陆河湖相为主，部分为内陆盆地边缘山麓堆积。三叠系中、上统为红色砂泥岩及灰绿色含煤、油页岩及少量火山碎屑砂泥岩。侏罗系由红色砂泥岩、煤系地层过渡为含泥灰岩、油页岩的红色砂泥岩及砾岩。白垩系仅有下统志丹群，为红色砂岩、砾岩、泥岩及少量泥灰岩，新近系为河湖相含石膏的红色碎屑沉积。第四系以黄土为主，另有零星的河流、冲积、洪积和湖相等沉积。

受陕北黄土高原地质构造和古气候条件影响，地层分布有着极其明显的地区差异，日益严重的水土流失和侵蚀作用也严重地影响着陕北地区黄土地层的出露和分布情况，给该地区工程勘察等工作带来了极大的不便。因此，根据相关工程勘察资料以及地层岩性资料，将陕北黄土地层划分为全新统风积沙、上更新统黄土、中更新统黄土、新近系岩石和古近系岩石，陕北黄土地层分布如图1所示。

图1 陕北黄土地层区划图

3.2 黄土地貌

200多万a以来，黄土高原上部沉积了厚度100～300 m的第四系黄土，在后期各种营力的作用下，最终形成现存的沟壑纵横、支离破碎的黄土地貌。沈玉昌[19]按照形态划分的原则将黄土地貌划分为黄土塬、黄土丘陵和黄土沟谷3类； 张宗祜[20]、甘枝茂[21]、王永焱等[22]、张丽萍等[23]、孙建中[7]和柴慧霞等[24]分别根据成因类型、形态及地理信息技术等不同原则对黄土高原地貌进行了分类研究； 刘振山等[25]和李喜安等[26]在对黄土地貌研究历史和黄土地貌成因进行总结的基础上，结合野外调查资料，按照成因和形态相结合，兼顾地貌分类的全面性、系统性、实用性原则，将陕北黄土地貌划分为4大类： ①黄土侵蚀-构造堆积地貌，是指黄土覆盖的山地，即河流阶地，断陷盆地以及黄土高平原和黄土台地在侵蚀堆积和构造堆积(新构造运动)单独或交互作用下形成的黄土地貌； ②黄土现代构造(变形)地貌，是指黄土堆积过程中或黄土堆积完成后的构造作用形成的地貌，为了与黄土堆积前的新构造运动区分开来，将其称为现代构造(变形)地貌，如黄土构造节理、裂缝、沟槽以及黄土断层台阶； ③黄土湿陷地貌，是由于黄土湿陷而形成的湿陷地貌，如黄土碟、湿陷坑和湿陷裂缝等； ④黄土侵蚀地貌，是指在广义侵蚀作用下形成的地貌，包括地表水侵蚀地貌(如切沟、冲沟、跌穴等)、地下水潜蚀地貌(如黄土陷穴、暗穴)、蚀余地貌(如黄土柱、黄土桥、黄土崾崄等)和黄土重力侵蚀地貌(如黄土滑坡、黄土崩塌、黄土泥流等)。

从区域地形地貌角度看，陕北地区可以分为风沙过渡区和黄土高原区2个地貌类型，其中北部为毛乌素沙漠风沙过渡区，南部为黄土高原区。而考虑到土地利用、水土保持及基础建设等方面的需要，以地标物质组成、下伏基岩古地形和现代地貌过程为指标，又可将风沙过渡区地貌细分为沙丘沙地、沙丘草滩、沙丘黄土梁和草滩盆地,将黄土高原区地貌细分为黄土梁塬墹地、黄土残塬、片沙黄土梁峁、黄土梁状丘陵、黄土梁峁丘陵、黄土峁梁丘陵、黄土宽梁残塬、黄土塬、薄层黄土覆盖的石质丘陵和石质低山丘陵[27-28](图2)。

图2 陕北黄土地貌区划图[27-28]

黄土地貌类型的划分对于黄土相关的理论研究和生产应用有着重要的参考意义。在生产实践中，黄土地貌与其他工程地质条件是相辅相成、密不可分的。同时，不同的黄土地貌类型并不是相互独立的，地貌之间存在着相互依存、相互影响的关系。

4 陕北黄土工程特性

4.1 湿陷性

陕北地区黄土的工程特性与其成因时代、埋藏深度和地貌类型等密切相关。

按黄土地层岩性来说，地层时代越老，地层越深，其湿陷起始压力越大，压缩系数(a1-2)越小，压缩模量(E1-2)越大。因而，中更新统黄土(老黄土)具有良好的工程特性，土质致密、低压缩性、强度高、弱湿陷性或无湿陷性。而上更新统黄土(新黄土)有湿陷性或强烈湿陷性，强度一般，分布广泛。全新统黄土(新近堆积黄土)土质疏松，可压缩性高，湿陷性变化范围较大，强度也较低。

按地貌类型来说，黄土梁、塬、峁区的湿陷性大于河谷阶地，且湿陷土层厚度也较厚。定边、靖边、横山北部和榆阳区、神木、府谷西北部为全新世风积沙地貌，地层岩性多为细砂、中砂，该地区地层基本不具有湿陷性。神木北部，黄陵、宜君西南部及黄龙、宜川东南部为石质丘陵地貌，地层岩性为新近系，岩石亦不具湿陷性。而其他大部黄土覆盖地区均具有不同程度的湿陷性，且湿陷系数大体上从西北向东南逐渐增大，在洛川地区湿陷系数可达0.103，其最大湿陷土层厚度也达到了25.0 m(表1)。

表1 陕北地区黄土物理力学性质汇总[29-48]

注： 表中资料来自于长庆勘察设计研究院、长安大学地质调查研究院、西北综合勘察设计研究院和西安地质调查中心。

4.2 渗透性

黄土的渗透性不仅对土体结构强度、稳定性以及实际工程中施工质量有着重要影响，而且还会引起土体内部应力场的变化，进而造成一系列的工程事故。由于各地区岩性、地层结构、物质成分以及显微结构的不同，不同地区黄土的渗透性也有着较大的差异。如榆林横山地区Q3黄土的渗透系数一般为1.25×10-1m/d，而在洛川一带Q3黄土的渗透系数一般为9.34×10-2m/d，其渗透系数南北相差近14倍，这种差异与黄土的粒度从西北向东南由粗变细的规律相一致(表2)。同时陕北地区黄土的渗透性也具有各向异性，表现为垂直方向上的渗透系数是水平方向上的数倍，这主要是由于良好的垂直节理和大孔隙发育所致，而且黄土层中渗透水流以薄膜水运动方式为主，水气相互作用也是导致这种差异的重要影响因素。

表2 陕北地区黄土的粒度组成及渗透性统计[30，42-43，49-50]

注： 表中数据来源于陕北黄土工程地质勘察资料。

4.3 力学特性

黄土的强度与其形成时代、成因类型呈正相关，时代越老,其力学强度越大(表1)。

延安地区: Q4黄土的黏聚力C=14.4～29.0 kPa，φ=13.2°～27.9°； Q3黄土的黏聚力C=15.6～46.6 kPa，φ=11.1°～27.3°； Q2黄土的黏聚力C=40.2～66.1 kPa，φ=21.4°～24.2°。

榆林地区： Q4黄土的黏聚力C=11.0～50.6 kPa，φ=11.7°～23.2°； Q3黄土的黏聚力C=11.0～25.3 kPa，φ=21.3°～22.0°； Q2黄土的黏聚力C=17.0～59.8 kPa，φ=23.1°～24.7°。

5 结论与展望

近年来，随着陕北地区各类资源的不断勘探与开发，各类工程建设风起云涌，该地区工程地质条件的复杂性也使得在工程建设中遇到越来越多前所未有的技术难题。该综述取得的如下成果将有助于问题的解决。

(1)对陕北黄土地层地貌进行了系统、全面地分析，将陕北黄土地层划分为全新统风积沙、上更新统黄土、中更新统黄土、新近系岩石和古近系岩石4类，将陕北黄土地貌划分为黄土侵蚀-构造堆积地貌、黄土现代构造(变形)地貌、黄土湿陷地貌和黄土侵蚀地貌4大类。

(2)陕北黄土工程性质(包括湿陷性、渗透性以及力学特性)南北差异较大。湿陷性大体上从西北向东南逐渐增大，在洛川地区湿陷系数可达0.103，其最大湿陷土层厚度达25 m； 渗透性南北相差近14倍； 由于沉积年代以及赋存环境不同，即便同一地层其力学特性南北也存在差异。

本文虽较为全面地对陕北地层、地貌以及工程特性进行了综述，但是由于该地区为干旱、半干旱气候，多数情况下黄土属于非饱和土，工程特性特殊、复杂，仍有许多方面需要深入研究和探索，因而利用非饱和土力学理论研究该地区黄土的工程特性也是黄土研究领域的前沿课题。